JP2016016052A - Artificial hip joint - Google Patents

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JP2016016052A JP2014139571A JP2014139571A JP2016016052A JP 2016016052 A JP2016016052 A JP 2016016052A JP 2014139571 A JP2014139571 A JP 2014139571A JP 2014139571 A JP2014139571 A JP 2014139571A JP 2016016052 A JP2016016052 A JP 2016016052A
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博司 沢田
Hiroshi Sawada
博司 沢田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an artificial hip joint having a fluid lubrication film formation function at a fine clearance, and also having little squeaky sound generation or abrasion.SOLUTION: An artificial hip joint includes an acetabular socket 22 having a recessed spherical part 25, and an artificial femoral head 26 having relative sliding contact with the recessed spherical part 25 of the acetabular socket 22, by being fitted therewith. An annular region 31 having a cyclic structure part 32 constituted of a plurality of fine grooves is provided on the artificial femoral head sliding surface 30 of the recessed spherical part 25 of the acetabular socket 22.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、人工股関節に関するものである。   The present invention relates to an artificial hip joint.

人工股関節は、図13に示すように、骨盤の寛骨臼に装着される臼蓋ソケット51と、大腿骨に装着されるステム52と、臼蓋ソケット51の凹球部55に摺動自在に嵌合される骨頭53とを備える。また、ステム52と骨頭53とは頚部54を介して連結されている。   As shown in FIG. 13, the artificial hip joint is slidable on a acetabular socket 51 attached to the acetabulum of the pelvis, a stem 52 attached to the femur, and a concave ball portion 55 of the acetabular socket 51. And a bone head 53 to be fitted. In addition, the stem 52 and the bone head 53 are connected via a neck portion 54.

近年、人工股関節の長寿命化には摩耗粉の低減が有効となるため,摩耗の少ない摺動部材として金属やセラミックスによるハード・オン・ハードの人工股関節の開発が進められている。人工股関節における摺動は多方向であり静止荷重状態が不定期に発生する。そのため、リンギングが発生し、除荷後も密着状態となり流体潤滑膜が回復しないことがある。リンギングはきしみ音発生や摩耗の原因となるため、微小クリアランスでの流体潤滑膜形成機能を有する機能表面の創成が望まれている。   In recent years, wear powder reduction is effective for prolonging the life of artificial hip joints, and therefore, hard-on-hard artificial hip joints made of metal and ceramics are being developed as sliding members with less wear. Sliding in the hip prosthesis is multi-directional, and a static load state occurs irregularly. As a result, ringing occurs and the fluid lubricating film may not be recovered even after unloading. Since ringing causes squeak noise and wear, creation of a functional surface having a fluid lubrication film forming function with a minute clearance is desired.

従来には、この図13に示すように、骨頭53の外球面である摺動面53aに複数の凹部56を設けることによる凹凸パターンを形成したものがある(特許文献1)。凹凸パターンを形成することによって、摩擦、摩耗を減少させることができ、人工股関節の寿命の延長を図るようにしている。この場合、凹部の配列ピッチ(0.8mm〜1.6mm)、凹部56の深さ(1μm〜10μm)、摺動面全体に対する凹部56の面積比率(30%〜70%)、円換算直径(0.2mm〜0.8mm)、材質等を限定したものである。   Conventionally, as shown in FIG. 13, there is one in which a concavo-convex pattern is formed by providing a plurality of concave portions 56 on a sliding surface 53a which is an outer spherical surface of a bone head 53 (Patent Document 1). By forming the concavo-convex pattern, friction and wear can be reduced, and the life of the artificial hip joint is extended. In this case, the arrangement pitch of the recesses (0.8 mm to 1.6 mm), the depth of the recesses 56 (1 μm to 10 μm), the area ratio of the recesses 56 to the entire sliding surface (30% to 70%), the diameter in terms of a circle ( 0.2 mm to 0.8 mm), and the material is limited.

また、従来には、図14に示すように、臼蓋ソケット51の凹球部55の内面(摺動面)を、骨頭53からの最大荷重点が存在する高荷重領域60と、最大荷重点が存在しない低荷重領域61とに分離し、低荷重領域61に陥凹部62を設けているものがある(特許文献2)。この陥凹部62を設けることによって、潤滑性が十分に向上でき、局所摩耗が起こりにくいものとしている。この場合、陥凹部62の深さを0.1mm〜3.0mmとし、陥凹部62の面積比を3〜50%としている。   Further, conventionally, as shown in FIG. 14, the inner surface (sliding surface) of the concave ball portion 55 of the acetabular socket 51 is provided with a high load region 60 where the maximum load point from the bone head 53 exists and the maximum load point. In some cases, the low-load region 61 is separated from the low-load region 61 and the recessed portion 62 is provided in the low-load region 61 (Patent Document 2). By providing the recessed portion 62, the lubricity can be sufficiently improved and local wear hardly occurs. In this case, the depth of the recessed portion 62 is 0.1 mm to 3.0 mm, and the area ratio of the recessed portion 62 is 3 to 50%.

特許第3590992号公報Japanese Patent No. 3590992 特開2011−87712号公報JP 2011-87712 A

前記特許文献1に記載のように構成した場合、凹部(ディンプル)は狭い領域内で正負等しい圧力を発生する。この際、キャビテーションが発生することにより正圧部のみが負荷容量に寄与する。しかしながら、正圧発生領域が狭いため圧力上昇が僅かしか得られない。このため、動圧発生効果が小さく、また、油溜り効果は混合潤滑特性に寄与するが、流体潤滑特性にほとんど寄与しない。   When configured as described in Patent Document 1, the concave portion (dimple) generates equal pressure in a narrow region. At this time, only the positive pressure part contributes to the load capacity due to the occurrence of cavitation. However, since the positive pressure generation region is narrow, only a slight pressure increase can be obtained. For this reason, the dynamic pressure generation effect is small, and the oil sump effect contributes to the mixed lubrication characteristics, but hardly contributes to the fluid lubrication characteristics.

また、特許文献2では、幅の広い陥凹部62から流体が容易に流失するため、2面間の接近によるスクイーズ作用が著しく低下し,流体潤滑特性を悪化させる恐れがある。ここで、スクイーズとは、2面間のすきまが減少する際、すきま内の潤滑液の流出にともなう粘性抵抗により圧力が発生する現象である。   Further, in Patent Document 2, since the fluid easily flows out from the wide recessed portion 62, the squeeze action due to the approach between the two surfaces is remarkably reduced, and the fluid lubrication characteristics may be deteriorated. Here, squeeze is a phenomenon in which, when the clearance between two surfaces decreases, pressure is generated by viscous resistance accompanying the outflow of the lubricating liquid in the clearance.

本発明は、上記課題に鑑みて、微小クリアランスでの流体潤滑膜形成機能を有し、きしみ音発生や摩耗の少ない人工股関節を提供する。   In view of the above-described problems, the present invention provides an artificial hip joint that has a fluid lubricating film forming function with a minute clearance and generates less squeak noise and less wear.

本発明の人工股関節は、凹球部を有する臼蓋ソケットと、この臼蓋ソケットの凹球部に嵌合して相対的摺動接触する人工骨頭とを備えた人工股関節であって、前記臼蓋ソケットの凹球部の人工骨頭との摺動面に、複数の微細溝にて構成される周期構造部を有する環状領域を設けたものである。   The artificial hip joint of the present invention is an artificial hip joint comprising a acetabular socket having a concave sphere portion and an artificial bone head that fits into the concave sphere portion of the acetabular socket and makes a relative sliding contact. An annular region having a periodic structure part composed of a plurality of fine grooves is provided on the sliding surface of the concave sphere part of the lid socket with the artificial bone head.

本発明の人工股関節によれば、荷重作用位置の変化が少ない臼蓋ソケット側の摺動面に周期構造部を有する環状領域を設けることによって、全ての揺動方向の摺動に対して動圧が得られ流体潤滑膜を形成することができる。   According to the artificial hip joint of the present invention, by providing an annular region having a periodic structure portion on the sliding surface on the acetabular socket side with little change in the load application position, dynamic pressure is applied to sliding in all swing directions. And a fluid lubricating film can be formed.

臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、前記環状領域の中心が、人工骨頭からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあるのが好ましい。これによって、最大荷重点が存在しうる領域内に流体が導入されることで大きな動圧が得られる。ここで、最大荷重点とは、臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、人工骨頭から臼蓋ソケットの凹球部における摺動面(内面)が最大荷重を受ける点である。   In a state of use in which the artificial bone head is fitted to the concave ball portion of the acetabular socket and is in relative sliding contact, the center of the annular region is within a range where the maximum load point for receiving the maximum load from the artificial bone head can exist. Preferably there is. As a result, a large dynamic pressure is obtained by introducing the fluid into the region where the maximum load point can exist. Here, the maximum load point is the sliding surface (inner surface) from the artificial bone head to the concave ball portion of the acetabular socket in the state of use in which the artificial bone head is fitted to the concave ball portion of the acetabular socket and is in relative sliding contact. ) Is the point that receives the maximum load.

周期構造部を構成する微細溝は、前記環状領域の接線と30度以上の交差角度を有するように設定するのが好ましい。このように設定することによって、摺動面内(臼蓋ソケットの凹球部の内面と人工骨頭の外面との間)に流体が効率的に導入される。   It is preferable that the fine grooves constituting the periodic structure portion are set so as to have an intersection angle of 30 degrees or more with the tangent line of the annular region. By setting in this way, the fluid is efficiently introduced into the sliding surface (between the inner surface of the concave ball portion of the acetabular socket and the outer surface of the artificial bone head).

前記環状領域の内周縁の平均半径が、臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、人工骨頭と臼蓋ソケットとのヘルツ接触部の接触半径の0.5倍〜10倍であるのが好ましい。   The average radius of the inner peripheral edge of the annular region is the contact radius of the Hertzian contact portion between the artificial bone head and the acetabular socket when the artificial bone head is fitted into the concave ball portion of the acetabular socket and is in relative sliding contact. It is preferable that it is 0.5 to 10 times.

周期構造部が前記環状領域全周に形成されるものであっても、周期構造部が環状領域に間欠的に形成されるものであってもよい。間欠的に形成されるものでは、周方向に沿って周期構造形成部と未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成される。これによって、軸廻りの旋回において周期構造形成部と未形成部との境界で圧力が発生し、摺動方向に圧力勾配ができる(この作用をステップ効果と呼ぶ)。   Even if the periodic structure portion is formed around the entire circumference of the annular region, the periodic structure portion may be intermittently formed in the annular region. In the case of being formed intermittently, the periodic structure forming portions and the non-forming portions are alternately formed along the sliding direction along the circumferential direction. As a result, pressure is generated at the boundary between the periodic structure forming portion and the non-forming portion in turning around the axis, and a pressure gradient is created in the sliding direction (this action is called a step effect).

周期構造部の周期ピッチが10μm以下であるのが好ましく、周期構造部の凹部の深さが1.0μm以下であるのが好ましい。   The periodic pitch of the periodic structure portion is preferably 10 μm or less, and the depth of the concave portion of the periodic structure portion is preferably 1.0 μm or less.

前記周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されているのが好ましい。   The periodic structure portion is preferably formed in a self-organized manner by irradiating a linearly polarized laser beam with an irradiation intensity in the vicinity of the processing threshold, and scanning while overlapping the irradiated portion.

本発明の人工股関節では、全ての揺動方向の摺動に対して動圧が微小クリアランスで得られる流体潤滑膜を形成することができ、きしみ音発生を抑えることができるとともに、摩耗の少ない人工股関節を提供できる。   The artificial hip joint of the present invention can form a fluid lubricating film in which a dynamic pressure is obtained with a minute clearance with respect to sliding in all swinging directions, can suppress generation of squeak noise, and has little wear. Can provide hip joints.

環状領域の中心が、人工骨頭からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあるように設定することによって、大きな動圧が得られ、きしみ音の発生や摩耗を大きく低減できる。   By setting the center of the annular region to be within a range where the maximum load point for receiving the maximum load from the artificial bone head can exist, a large dynamic pressure can be obtained, and the generation of squeak noise and wear can be greatly reduced.

微細溝が、環状領域の接線と30度以上の交差角度を有するように設定することによって、摺動面内に流体が効率的に導入され、大きな動圧効果を得ることができる。   By setting the fine groove so as to have an intersecting angle of 30 degrees or more with the tangent of the annular region, the fluid is efficiently introduced into the sliding surface, and a large dynamic pressure effect can be obtained.

人工骨頭と臼蓋ソケットとのヘルツ接触部の接触半径の0.5倍〜10倍であれば、スクイーズ作用の低下を低く抑えながら摺動による大きな動圧効果を得ることができる。   When the contact radius of the Hertz contact portion between the artificial bone head and the acetabular socket is 0.5 to 10 times, a large dynamic pressure effect by sliding can be obtained while suppressing a decrease in the squeeze action.

周期構造部を構成する環状領域を間欠的とすることで、ステップ効果が生じ、軸廻りの旋回において大きな動圧効果を得ることができる。   By making the annular region constituting the periodic structure portion intermittent, a step effect is produced, and a large dynamic pressure effect can be obtained in turning around the axis.

周期構造部の周期ピッチを10μm以下とすることで潤滑剤の側方漏れを冗長的に抑えることができ、効率的な動圧を得ることができる。周期構造の凹凸を1.0μm以下とすることで、油膜変動が小さく高い負荷容量と剛性が得られるとともにスクイーズ作用の低下を抑制することができる。 By setting the periodic pitch of the periodic structure portion to 10 μm or less, side leakage of the lubricant can be suppressed redundantly, and an efficient dynamic pressure can be obtained. By setting the irregularities of the periodic structure to 1.0 μm or less, oil film fluctuation is small and high load capacity and rigidity can be obtained, and a decrease in squeeze action can be suppressed.

周期構造部を、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。   If the periodic structure part is irradiated with linearly polarized laser light with an irradiation intensity near the processing threshold, and the irradiated part is overlapped and scanned in a self-organized manner, the submicron period is difficult to machine. A periodic structure having a pitch and unevenness depth can be easily obtained.

本発明の実施形態を示す人工股関節の臼蓋ソケットの斜視図である。It is a perspective view of the acetabular socket of the artificial hip joint which shows embodiment of this invention. 人工股関節の簡略図である。It is a simplified view of an artificial hip joint. 臼蓋ソケットの凹球部に形成される周期構造部の拡大図である。It is an enlarged view of the periodic structure part formed in the concave ball part of a mortar socket. 臼蓋ソケットの凹球部の内面の簡略展開図である。It is a simplified development view of the inner surface of the concave ball portion of the acetabular socket. 周期構造部を形成するためのレーザ表面加工装置の簡略図である。It is a simplification figure of the laser surface processing apparatus for forming a periodic structure part. 実施例に用いた往復式ピン・オン・プレート試験装置を示す簡略図である。It is a simplified diagram showing a reciprocating pin-on-plate test apparatus used in an example. 前記図6に示す往復式ピン・オン・プレート試験装置に用いるピン試験片を示し、(a)は周期構造部を有さない鏡面ピンの簡略図であり、(b)は周期構造部を有する周期構造ピンの簡略図である。The pin test piece used for the reciprocating pin-on-plate test apparatus shown in FIG. 6 is shown, (a) is a simplified view of a mirror surface pin having no periodic structure part, and (b) has a periodic structure part. It is a simplified diagram of a periodic structure pin. 周期構造ピンと鏡面ピンとの摺動速度と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the sliding speed of a periodic structure pin and a mirror surface pin, and a friction coefficient. 周期構造ピンと鏡面ピンとの摺動静止時間と起動摩擦係数との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the sliding stationary time of a periodic structure pin and a mirror surface pin, and a starting friction coefficient. 算術平均粗さの定義を説明するためのグラフ図である。It is a graph for demonstrating the definition of arithmetic mean roughness. リング・オン・ディスク試験に用いるリング試験片であって、(a)は周方向に沿って間欠的に摺動面が形成されている鏡面リングの簡略図であり、(b)は周方向に沿って間欠的に周期構造部が形成されている周期構造リングの簡略図である。It is a ring test piece used for a ring-on-disk test, (a) is a simplified view of a mirror ring in which sliding surfaces are intermittently formed along the circumferential direction, and (b) is a circumferential direction. It is a simplification figure of the periodic structure ring in which the periodic structure part is intermittently formed along. 周期構造リングと鏡面リングとの摺動速度と摩擦係数との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the sliding speed of a periodic structure ring and a mirror surface ring, and a friction coefficient. 従来の人工股関節の側面図である。It is a side view of the conventional artificial hip joint. 他の従来の人工股関節の臼蓋ソケットの凹球部の内面の簡略展開図である。It is a simplified development view of the inner surface of the concave ball portion of another conventional hip joint acetabular socket.

以下本発明の実施の形態を図1〜図14に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

本発明に係る人工股関節は、図2に示すように、骨盤21の寛骨臼に装着される臼蓋ソケット22と、大腿骨23の髄腔に挿入されるステム24と、臼蓋ソケット22の凹球部25に嵌合される人工骨頭26とを備える。また、ステム24と骨頭26とは頚部27を介して連結されている。   As shown in FIG. 2, the hip prosthesis according to the present invention includes an acetabular socket 22 that is attached to the acetabulum of the pelvis 21, a stem 24 that is inserted into the medullary cavity of the femur 23, and an acetabular socket 22. And an artificial bone head 26 fitted to the concave ball portion 25. In addition, the stem 24 and the bone head 26 are connected via a neck portion 27.

臼蓋ソケット22は、凹球部25を有するお椀形状体であって、開口端面28が、外側下向きとなるように、骨セメント等で骨盤21の寛骨臼に固着される。また、骨頭26は球体にて構成され、臼蓋ソケット22の凹球部25に嵌合して相対的摺動接触する。   The acetabular socket 22 is a bowl-shaped body having a concave ball portion 25, and is fixed to the acetabulum of the pelvis 21 with bone cement or the like so that the open end face 28 faces outward. Further, the bone head 26 is formed of a spherical body, and is fitted into the concave ball portion 25 of the acetabular socket 22 to make a relative sliding contact.

ステム24は、チタン、チタン合金、コバルト-クロム合金等の金属にて構成され、臼蓋ソケット22及び人工骨頭26は、ステム24と同様の金属、さらにはセラミック(ジルコニアやアルミナなど)やプラスチック(超高分子量ポリエチレンなど)から構成される。   The stem 24 is made of a metal such as titanium, a titanium alloy, or a cobalt-chromium alloy, and the acetabular socket 22 and the artificial bone head 26 are made of the same metal as the stem 24, and further, ceramic (zirconia, alumina, etc.) or plastic ( Ultra high molecular weight polyethylene).

そして、図1と図4とに示すように、臼蓋ソケット22の凹球部25の内面(人工骨頭摺動面30)に、複数の微細溝にて構成される周期構造部32を有する環状領域31を設けたものである。   As shown in FIGS. 1 and 4, an annular structure having a periodic structure portion 32 formed of a plurality of fine grooves on the inner surface (artificial head sliding surface 30) of the concave ball portion 25 of the acetabular socket 22. A region 31 is provided.

周期構造部32は図3に示すように、微小の凹部5と微小の凸部6とが交互に所定ピッチで配設されてなるものである。周期構造部32の凹凸ピッチを10μm以下とし、凹部5の深さTを0.1μm以上1μm以下とするのが好ましい。   As shown in FIG. 3, the periodic structure portion 32 is formed by alternately arranging minute concave portions 5 and minute convex portions 6 at a predetermined pitch. It is preferable that the concavo-convex pitch of the periodic structure portion 32 is 10 μm or less and the depth T of the concave portion 5 is 0.1 μm or more and 1 μm or less.

周期構造部32は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成している。具体的には、図5に示すフェムト秒レーザ表面加工装置を使用する。レーザ発生器11(チタンサファイアフェムト秒レーザ発生器)で発生したレーザ(例えば、パルス幅:120fs、中心波長800nm、繰り返し周波数:1kHz、パルスエネルギー:0.25〜400μJ/pulse)は、ミラー12により加工材料Wに向けて折り返され、メカニカルシャッタ13に導かれる。レーザ照射時はメカニカルシャッタ13を開放し、レーザ照射強度は1/2波長板14と偏光ビームスプリッタ16によって調整可能とし、1/2波長板15によって偏光方向を調整し、集光レンズ(焦点距離:150mm)17によって、XYθステージ19上の加工材料W表面に集光照射する。なお、フェムト秒レーザはフェムト秒(1000兆分の1秒)オーダーという極端に短い時間単位の中にエネルギーを圧縮した光源である。   The periodic structure portion 32 is formed in a self-organized manner by irradiating a linearly polarized laser beam with an irradiation intensity in the vicinity of the processing threshold, scanning the irradiated portion in an overlapping manner. Specifically, the femtosecond laser surface processing apparatus shown in FIG. 5 is used. A laser (eg, pulse width: 120 fs, center wavelength: 800 nm, repetition frequency: 1 kHz, pulse energy: 0.25 to 400 μJ / pulse) generated by a laser generator 11 (titanium sapphire femtosecond laser generator) is reflected by a mirror 12. It is folded back toward the work material W and guided to the mechanical shutter 13. At the time of laser irradiation, the mechanical shutter 13 is opened, the laser irradiation intensity can be adjusted by the half-wave plate 14 and the polarization beam splitter 16, the polarization direction is adjusted by the half-wave plate 15, and the condenser lens (focal length) : 150 mm) 17, the surface of the work material W on the XYθ stage 19 is condensed and irradiated. A femtosecond laser is a light source that compresses energy in an extremely short time unit of the order of femtoseconds (one thousandth of a second).

アブレーション閾値近傍のフルエンスで直線偏光のレーザをワーク(加工材料)Wに照射した場合、入射光と加工材料Wの表面に沿った散乱光またはプラズマ波の干渉により、波長オーダのピッチと溝深さを持つグレーティング状の周期構造部を偏光方向に直交して自己組織的に形成される。このとき、フェムト秒レーザをオーバラップさせながら走査させることで、周期構造部32を広範囲に拡張することができる。   When a workpiece (working material) W is irradiated with a linearly polarized laser beam at a fluence near the ablation threshold, pitches and groove depths on the order of wavelengths are caused by interference between incident light and scattered light or plasma waves along the surface of the processing material W. A grating-like periodic structure having a self-organization is formed perpendicular to the polarization direction. At this time, the periodic structure part 32 can be expanded over a wide range by scanning the femtosecond lasers while overlapping them.

レーザのスキャンは、レーザを固定して加工材料Wを支持するXYθステージ19を移動させても、XYθステージ19を固定してレーザを移動させてもよい。あるいは、レーザとXYθステージ19を同時移動させてもよい。なお、前記図3は、前記フェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した周期構造部32を電子顕微鏡で撮像した図である。   Laser scanning may be performed by moving the XYθ stage 19 that supports the processing material W while fixing the laser, or may move the laser while fixing the XYθ stage 19. Alternatively, the laser and the XYθ stage 19 may be moved simultaneously. FIG. 3 is a diagram obtained by imaging the periodic structure portion 32 formed by the femtosecond laser surface processing apparatus with an electron microscope.

この場合、臼蓋ソケット22の凹球部25に人工骨頭26が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、環状領域31の中心Oが、人工骨頭26からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にある。このため、最大荷重点がこの環状領域31内に入ることがない。臼蓋ソケット22の凹球部25の内面の最大荷重点に対応する人工骨頭26の外面の最大荷重点は、使用者の姿勢や動作によって大きく変位するが、臼蓋ソケット22側の最大荷重点はあまり変位しない。このため、臼蓋ソケット22の凹球部25において、環状領域31を設けるのが容易である。   In this case, when the artificial bone head 26 is fitted to the concave spherical portion 25 of the acetabular socket 22 and is in relative sliding contact, the center O of the annular region 31 receives the maximum load from the artificial bone head 26. The point is within a possible range. For this reason, the maximum load point does not enter the annular region 31. The maximum load point on the outer surface of the artificial bone head 26 corresponding to the maximum load point on the inner surface of the concave ball portion 25 of the acetabular socket 22 is greatly displaced depending on the posture and movement of the user, but the maximum load point on the acetabular socket 22 side. Does not change much. For this reason, it is easy to provide the annular region 31 in the concave spherical portion 25 of the mortar socket 22.

周期構造部32を構成する微細溝は径方向に延びるものであって、図4に示すように、環状領域31の接線Lとの交差角θを30度以上としている。なお、図4では、交差角θが90度である。   The fine grooves constituting the periodic structure portion 32 extend in the radial direction, and as shown in FIG. 4, the crossing angle θ with the tangent L of the annular region 31 is 30 degrees or more. In FIG. 4, the crossing angle θ is 90 degrees.

ところで、荷重が0のときに点で接触する状態は点接触と呼ばれ、これらは荷重が加われば面で接触するようになる。また円筒と平面の接触のように荷重が0のときに線で接触する状態を線接触と呼び、これも荷重が加われば面で接触するようになる。これらの面での接触がヘルツ接触と呼ばれる。   By the way, the state of contact at a point when the load is 0 is called point contact, and these come into contact at a surface when a load is applied. A state of contact with a line when the load is zero, such as contact between a cylinder and a plane, is called line contact, and this also comes into contact with a surface when a load is applied. Contact on these surfaces is called Hertzian contact.

このため、この人工股関節においても、荷重がかからない状態では、臼蓋ソケット22の凹球部25の内面(摺動面30)と、人工骨頭26の外面(摺動面35)とは点接触であるが、荷重が加われば面で接触するようになる。すなわち、ヘルツ接触することになる。そこで、本発明では、図4に示すように、環状領域31の内周縁31aの平均半径Raが、人工骨頭26と臼蓋ソケット22とのヘルツ接触部36の接触半径rの0.5倍〜10倍としている。なお、環状領域31の内周縁31aの平均半径をRaとし、環状領域31の外周縁31aの平均半径をRbとして、環状領域31の幅寸法である(Rb−Ra)を2mm以上としている。   For this reason, even in this artificial hip joint, when no load is applied, the inner surface (sliding surface 30) of the concave ball portion 25 of the acetabular socket 22 and the outer surface (sliding surface 35) of the artificial bone head 26 are in point contact. There will be contact with the surface if a load is applied. That is, the Hertz contact. Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 4, the average radius Ra of the inner peripheral edge 31 a of the annular region 31 is 0.5 times the contact radius r of the Hertz contact portion 36 between the artificial bone head 26 and the acetabular socket 22. 10 times. The average radius of the inner peripheral edge 31a of the annular region 31 is Ra, the average radius of the outer peripheral edge 31a of the annular region 31 is Rb, and the width dimension (Rb-Ra) of the annular region 31 is 2 mm or more.

本発明によれば、臼蓋ソケット22に周期構造部32を有する環状領域31を設けることによって、全ての揺動方向の摺動に対して動圧が微小クリアランスで得られる流体潤滑膜を形成することができる。これによって、きしみ音発生を抑えることができるとともに、摩耗の少ない人工股関節を提供できる。   According to the present invention, by providing the annular region 31 having the periodic structure portion 32 in the acetabular socket 22, a fluid lubricating film is obtained in which a dynamic pressure can be obtained with a minute clearance with respect to sliding in all swing directions. be able to. As a result, generation of squeak noise can be suppressed, and an artificial hip joint with less wear can be provided.

臼蓋ソケット22の凹球部25に人工骨頭26が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、環状領域31の中心が、人工骨頭26からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあるように設定することによって、最大荷重点が存在しうる領域内に流体が導入されることで大きな動圧が得られ、きしみ音の発生や摩耗を大きく低減でき、高品質の人工股関節を得ることができる。   In a state of use in which the artificial bone head 26 is fitted to the concave spherical portion 25 of the acetabular socket 22 and is in relative sliding contact, the center of the annular region 31 has a maximum load point that receives the maximum load from the artificial bone head 26. By setting it to be within the range, a large dynamic pressure can be obtained by introducing the fluid into the region where the maximum load point can exist, greatly reducing the occurrence of squeak noise and wear, and high quality. An artificial hip joint can be obtained.

また、周期構造部32を構成する微細溝は、環状領域31の接線と30度以上の交差角度を有するように設定することによって、摺動面内(臼蓋ソケット22の凹球部25の内面と人工骨頭26の外面との間)に流体(関節液)が効率的に導入され、大きな動圧効果を得ることができる。なお、交差角が30未満では、流体(関節液)の導入効果が低く、動圧効果をあまり得ることができない。   In addition, the fine grooves constituting the periodic structure portion 32 are set so as to have an intersecting angle of 30 degrees or more with the tangent line of the annular region 31 (inside the sliding surface (the inner surface of the concave ball portion 25 of the acetabular socket 22). And the outer surface of the artificial bone head 26), fluid (joint fluid) is efficiently introduced, and a large dynamic pressure effect can be obtained. If the crossing angle is less than 30, the effect of introducing fluid (joint fluid) is low and the dynamic pressure effect cannot be obtained so much.

環状領域31の内周縁の平均半径Rが人工骨頭26と臼蓋ソケット22とのヘルツ接触部36の接触半径rの0.5倍〜10倍であれば、スクイーズ作用の低下を低く抑えながら摺動による大きな動圧効果を得ることができる。なお、1倍未満では、環状領域31がヘルツ接触部36に入ることになる。このため、0.5倍未満では、環状領域31がヘルツ接触部36内に入り込み過ぎ、10倍を越えれば、環状領域31がヘルツ接触部36から離れ過ぎて、いずれの場合も、「スクイーズ作用の低下を低く抑えながら摺動による大きな動圧効果を得る」という作用効果を奏することができない。   If the average radius R of the inner peripheral edge of the annular region 31 is 0.5 times to 10 times the contact radius r of the Hertz contact portion 36 between the artificial bone head 26 and the acetabular socket 22, the sliding is suppressed while keeping the decrease in the squeeze action low. A large dynamic pressure effect due to movement can be obtained. If it is less than 1 time, the annular region 31 enters the Hertz contact portion 36. For this reason, if it is less than 0.5 times, the annular region 31 enters too much into the Hertz contact portion 36, and if it exceeds 10 times, the annular region 31 is too far away from the Hertz contact portion 36. It is not possible to achieve the effect of “obtaining a large dynamic pressure effect by sliding while keeping the decrease in the pressure low”.

細構構造の周期ピッチを10μm以下とすることで潤滑剤の側方漏れを冗長的に抑えることができ、効率的な動圧を得ることができる。周期構造部32の凹凸を1.0μm以下とすることで、油膜変動が小さく高い負荷容量と剛性が得られるとともにスクイーズ作用の低下を抑制することができる。   By setting the periodic pitch of the fine structure to 10 μm or less, side leakage of the lubricant can be suppressed redundantly, and an efficient dynamic pressure can be obtained. By setting the unevenness of the periodic structure portion 32 to 1.0 μm or less, oil film fluctuation is small and high load capacity and rigidity can be obtained, and a decrease in squeeze action can be suppressed.

周期構造部32を、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成したものでは、機械加工では困難なサブミクロンの周期ピッチと凹凸深さをもつ周期構造を容易に得ることができる。   When the periodic structure portion 32 is irradiated with linearly polarized laser light with an irradiation intensity in the vicinity of the processing threshold, and the irradiated portion is scanned while being overlapped, it is formed in a self-organized manner. A periodic structure having a periodic pitch and an unevenness depth can be easily obtained.

ところで、前記実施形態では、周期構造部32が環状領域31は全周にわたって形成されていたが、周期構造部32が環状領域31に周方向に沿って間欠的に形成されていてもよい。間欠的に形成されるものでは、周方向に沿って周期構造形成部と未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成される。これによって、周期構造形成部と未形成部との境界で圧力が発生する。すなわち、周期構造形成部と未形成部によるステップ効果が生じ、軸廻りの旋回において動圧を得ることができる。なお、周期構造部32を間欠的に設ける場合、その配設ピッチや配置数としては、ステップ効果が生じ、軸廻りの旋回において動圧を得ることができる範囲で種々変更できる。   By the way, in the said embodiment, although the periodic structure part 32 was formed over the perimeter, the periodic structure part 32 may be intermittently formed in the annular region 31 along the circumferential direction. In the case of being formed intermittently, the periodic structure forming portions and the non-forming portions are alternately formed along the sliding direction along the circumferential direction. As a result, pressure is generated at the boundary between the periodic structure forming portion and the non-forming portion. That is, a step effect is generated by the periodic structure forming portion and the non-forming portion, and a dynamic pressure can be obtained in turning around the axis. In addition, when providing the periodic structure part 32 intermittently, as for the arrangement pitch and the number of arrangement | positioning, a step effect will arise and it can change variously in the range which can obtain a dynamic pressure in the turning around an axis | shaft.

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では、周期構造部32を形成する際に、パルスレーザであるフェムト秒レーザを用いたが、フェムト秒レーザ以外のピコ秒レーザやナノ秒レーザといったパルスレーザを使用することもできる。また、臼蓋ソケット22と人工骨頭26とは、金属やセラミックスによるハード・アンド・ハードによる摺動であっても、ソフト・アンド・ハードによる摺動であっても、ソフト・アンド・ソフトによる摺動であってもよい。   As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible. For example, in the embodiment, when the periodic structure portion 32 is formed, Although a femtosecond laser which is a pulse laser is used, a pulse laser such as a picosecond laser or a nanosecond laser other than the femtosecond laser can also be used. Further, the acetabular socket 22 and the artificial bone head 26 may be slid by soft and soft, whether sliding by hard and hard using metal or ceramics, or sliding by soft and hard. It may be dynamic.

図6に示す往復式ピン・オン・プレート試験装置を用いた試験を行った。往復式ピン・オン・プレート試験装置を用いた試験とは、平盤体をプレート試験片1とし、円盤体をピン試験片2として、プレート試験片1の上面の摺動面1aにピン試験片2の下面の摺動面2aを載置し、ピン試験片2を図6の矢印Xのように直線状に往復動させる。この場合、プレート試験片1およびピン試験片2の材質をSUS440Cとし、ピン試験片2の直径D(図7参照)を5mmとした。また、プレート試験片1としては、図6の矢印Xの往復動(往復ピッチ6mm)にてピン試験片2がはみ出さない大きさとした。   A test using a reciprocating pin-on-plate test apparatus shown in FIG. 6 was conducted. The test using the reciprocating pin-on-plate test apparatus is a plate test piece 1 as a flat plate body, a pin test piece 2 as a disk body, and a pin test piece on the sliding surface 1 a on the upper surface of the plate test piece 1. 2 is mounted, and the pin test piece 2 is reciprocated linearly as indicated by an arrow X in FIG. In this case, the material of the plate test piece 1 and the pin test piece 2 was SUS440C, and the diameter D (see FIG. 7) of the pin test piece 2 was 5 mm. In addition, the plate test piece 1 was sized so that the pin test piece 2 did not protrude by the reciprocating motion of the arrow X in FIG. 6 (reciprocal pitch 6 mm).

また、ピン試験片2としては、図7(a)に示すように周期構造部を有さない鏡面ピン2Aと、図7(b)に示すように周期構造部32を有する周期構造ピン2Bとの2種類用意した。ここで、鏡面ピン2Aとは、摺動面2aの表面粗さ(算術平均粗さ)Raを0.02μm程度に仕上げたものである。算術平均粗さRaとは、図10に示すように、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さだけを抜き取り、この抜取り部分の平均線mの方向にX軸を、縦倍率の方向にY軸を取り、粗さ曲線をy=f(x)で表したときに、次の数1の式によって求められる値をマイクロメートル(μm)で表したものをいう。
Moreover, as the pin test piece 2, as shown to Fig.7 (a), the mirror surface pin 2A which does not have a periodic structure part, and the periodic structure pin 2B which has the periodic structure part 32 as shown in FIG.7 (b) 2 types were prepared. Here, the mirror surface pin 2A is obtained by finishing the surface roughness (arithmetic average roughness) Ra of the sliding surface 2a to about 0.02 μm. As shown in FIG. 10, the arithmetic average roughness Ra means that only the reference length is extracted from the roughness curve in the direction of the average line, the X axis is in the direction of the average line m of the extracted portion, and the direction of the vertical magnification. When the Y-axis is taken and the roughness curve is expressed by y = f (x), the value obtained by the following formula 1 is expressed in micrometers (μm).

周期構造ピン2Bとは、摺動面2aの外周部に周期構造部32を形成したものであり、この場合、周期構造部32の内周側に形成されるランド部40(周期構造部を有さない部位)の表面粗さ(算術平均粗さ)Raを0.02μm程度に仕上げたものである。周期構造部32の幅(径方向幅)Eを0.5mm程度とした。(周期構造形成部はφ4mm〜φ5mmであるので、Eが0.5mmとなる。)潤滑剤としては、極性をもたず熱的・化学的に安定したPAO6(ポリ−α−オレフィン:37℃における粘度31.3cP)を用いた。   The periodic structure pin 2B is obtained by forming the periodic structure portion 32 on the outer peripheral portion of the sliding surface 2a. In this case, the land portion 40 (having the periodic structure portion) formed on the inner peripheral side of the periodic structure portion 32 is used. The surface roughness (arithmetic mean roughness) Ra of the portion not to be processed is finished to about 0.02 μm. The width (radial width) E of the periodic structure portion 32 was set to about 0.5 mm. (Since the periodic structure forming portion is φ4 mm to φ5 mm, E is 0.5 mm.) As a lubricant, PAO6 (poly-α-olefin: 37 ° C. which is not polar and is thermally and chemically stable) Viscosity of 31.3 cP) was used.

周期構造部32は、図5で記載したフェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した。すなわち、直線偏光のフェムト秒レーザを加工しきい値近傍のエネルギー密度で材料表面に照射し、自己組織的に形成した。周期構造部32としては、動圧発生を目的とした周期間隔約700nm、凹凸深さ約200nmのグレーティング状の周期構造を形成した。   The periodic structure portion 32 was formed by the femtosecond laser surface processing apparatus described in FIG. That is, the surface of the material was irradiated with a linearly polarized femtosecond laser at an energy density in the vicinity of the processing threshold and formed in a self-organized manner. As the periodic structure portion 32, a grating-like periodic structure having a periodic interval of about 700 nm and an unevenness depth of about 200 nm for the purpose of generating dynamic pressure was formed.

鏡面ピン2Aおよび周期構造ピン2Bに対し、加圧を0.5MPaとし、摺動速度を4mm/sから0.lmm/sまで段階的に減速させながら摺動速度と摩擦係数の関係を調べた。また、リンギングやスクイーズ効果への影響を調べるため,摺動速度を4mm/sとして定常状態から所定時間静止させた後,起動摩擦係数(起動後0.lsの平均摩擦係数)を計測した。   For the mirror surface pin 2A and the periodic structure pin 2B, the pressure is set to 0.5 MPa, and the sliding speed is changed from 4 mm / s to 0. The relationship between the sliding speed and the friction coefficient was investigated while gradually decelerating to 1 mm / s. In order to investigate the influence on the ringing and squeeze effects, the starting friction coefficient (average friction coefficient of 0.1 ls after starting) was measured after the sliding speed was set to 4 mm / s and the stationary state was stopped for a predetermined time.

鏡面ピン2Aおよび周期構造ピン2Bの摺動速度と摩擦係数の関係を図8に示す。周期構造形成により、全ての速度で摩擦係数低減が認められた。このとき,高速摺動時ほど鏡面ピン2Aと周期構造ピン2Bの摩擦係数比が大きく、周期構造による摩擦低減効果が大きくなった。周期構造ピンの摩擦係数はばらつき(標準偏差)が小さく、安定した値を示した。動圧発生は、周期構造の溝が流体を中央部に引き込む流体導入効果および周期構造形成部と未形成部境界のステップ効果に起因する。周期構造の方向が円周方向になると流体導入効果が消失するため、動圧発生が大きく低下することになる。   FIG. 8 shows the relationship between the sliding speed and the friction coefficient of the mirror surface pin 2A and the periodic structure pin 2B. Due to the formation of the periodic structure, a reduction in the coefficient of friction was observed at all speeds. At this time, the friction coefficient ratio between the mirror surface pin 2A and the periodic structure pin 2B increases as the sliding speed increases, and the friction reduction effect by the periodic structure increases. The coefficient of friction of the periodic structure pin had a small variation (standard deviation) and a stable value. The generation of the dynamic pressure is caused by the fluid introduction effect that the groove of the periodic structure draws the fluid into the central portion and the step effect of the boundary between the periodic structure forming portion and the unformed portion. When the direction of the periodic structure becomes the circumferential direction, the fluid introduction effect disappears, and thus the generation of dynamic pressure is greatly reduced.

鏡面ピン2Aおよび周期構造ピン2Bの摺動静止時間と起動摩擦係数の関係を図9に示す。周期構造の有無にかかわらず摺動静止時間の増加とともに油膜が流失するため、起動摩擦係数は大きくなったが、周期構造ピンの起動摩擦係数は常に鏡面ピン2Aより低くなった。周期構造を形成すると静止時には油膜が流失しやすくなり、スクイーズ作用の低下は否めない。しかし、外周部の周期構造の溝部分には油膜が存在し、起動時の潤滑液供給が促進される。そのため、起動時には極めて速い応答速度で動圧が発生し、急速に油膜が回復することで起動摩擦係数が低減したと考えられる。したがって、起動摩擦係数を低下させるためには,周期構造形成による動圧発生の利得がスクイーズ作用の低下を上回るように設定する必要がある。   FIG. 9 shows the relationship between the sliding stationary time and the starting friction coefficient of the mirror surface pin 2A and the periodic structure pin 2B. Regardless of the presence or absence of the periodic structure, the oil friction was lost as the sliding stationary time increased, so the starting friction coefficient increased, but the starting friction coefficient of the periodic structure pin was always lower than that of the mirror surface pin 2A. When the periodic structure is formed, the oil film tends to be washed away at rest, and the squeeze action cannot be denied. However, an oil film exists in the groove portion of the outer peripheral portion of the periodic structure, and the supply of the lubricating liquid at the time of startup is promoted. Therefore, dynamic pressure is generated at an extremely fast response speed at the time of start-up, and it is considered that the start-up friction coefficient is reduced due to the rapid recovery of the oil film. Therefore, in order to reduce the starting friction coefficient, it is necessary to set the gain of dynamic pressure generation due to the formation of the periodic structure to exceed the reduction of the squeeze action.

このため、臼蓋ソケット22の凹球部25の人工骨頭摺動面30に、複数の微細溝にて構成される周期構造部32を有する環状領域31を設ければ、スクイーズ作用の低下を低く抑えながら摺動による大きな動圧効果を得ることができ、摺動性に優れた人工股関節を構成できることが分かる。   For this reason, if the annular region 31 having the periodic structure portion 32 composed of a plurality of fine grooves is provided on the artificial bone head sliding surface 30 of the concave ball portion 25 of the acetabular socket 22, the reduction of the squeeze action is reduced. It can be seen that a large dynamic pressure effect by sliding can be obtained while suppressing, and an artificial hip joint excellent in slidability can be configured.

リング・オン・ディスク試験を行った。この場合、ディスク試験片からなる固定側試験片(図示省略)と、リング試験からなる回転側試験片41(図11(a)(b)参照)とを用いた。図11(a)に示す回転側試験片41(41A)は、一方の面に周方向に沿って所定ピッチで配設される凸部42を設け、この凸部42の表面を摺動面42aとしている。このため、図11(a)に示す回転側試験片41を鏡面リング41Aと呼ぶ。また、図11(b)に示す回転側試験片41は、凸部42の摺動面に周期構造部32を設けている。この場合、周期構造部32は各凸部42の摺動面に回転方向前方側に設けられ、溝方向を周方向としている。このため、図11(b)に示す回転側試験片41を周期構造リング41Bと呼ぶ。   A ring-on-disk test was performed. In this case, a fixed side test piece (not shown) made of a disk test piece and a rotation side test piece 41 made of a ring test (see FIGS. 11A and 11B) were used. A rotation side test piece 41 (41A) shown in FIG. 11A is provided with convex portions 42 arranged at a predetermined pitch along the circumferential direction on one surface, and the surface of the convex portion 42 is a sliding surface 42a. It is said. For this reason, the rotation side test piece 41 shown to Fig.11 (a) is called the mirror surface ring 41A. Moreover, the rotation side test piece 41 shown in FIG. 11B has the periodic structure portion 32 on the sliding surface of the convex portion 42. In this case, the periodic structure portion 32 is provided on the sliding surface of each convex portion 42 on the front side in the rotational direction, and the groove direction is the circumferential direction. For this reason, the rotation side test piece 41 shown in FIG.11 (b) is called the periodic structure ring 41B.

固定側試験片及び回転側試験片41(41A,41B)の材質をSUS440Cとし、凸部42の摺動面の表面粗さをRaを0.02μm程度に仕上げた。回転側試験片41(41A,41B)は、その外径D1を15mmとし、内径D2を10mmとし、固定側試験片の外径としては、固定側試験片と同等乃至固定側試験片よりも大きく設定する。また、周期構造部32は、図5で記載したフェムト秒レーザ表面加工装置にて形成した。この場合の周期構造部32としては、周期間隔約700nm、凹凸深さ約200nmのグレーティング状の周期構造を形成した。潤滑剤としては、PAO2(ポリ−α−オレフィン:37℃における粘度4.6cP)を用いた。   The material of the fixed side test piece and the rotation side test piece 41 (41A, 41B) was SUS440C, and the surface roughness of the sliding surface of the convex portion 42 was finished to Ra of about 0.02 μm. The rotation side test piece 41 (41A, 41B) has an outer diameter D1 of 15 mm, an inner diameter D2 of 10 mm, and the outer diameter of the fixed side test piece is equal to or larger than the fixed side test piece. Set. Moreover, the periodic structure part 32 was formed with the femtosecond laser surface processing apparatus described in FIG. As the periodic structure portion 32 in this case, a grating-like periodic structure having a periodic interval of about 700 nm and an unevenness depth of about 200 nm was formed. As the lubricant, PAO2 (poly-α-olefin: viscosity at 37 ° C. of 4.6 cP) was used.

鏡面リング41Aおよび周期構造リング41Bに対し,加圧を0.5MPaとし、摺動速度を81.5mm/sから3.3mm/sまで段階的に減速させながら摺動速度と摩擦係数の関係を調べた。そして、この結果を図12に示す。   With respect to the mirror ring 41A and the periodic structure ring 41B, the pressure is set to 0.5 MPa, and the relationship between the sliding speed and the friction coefficient is reduced while the sliding speed is gradually reduced from 81.5 mm / s to 3.3 mm / s. Examined. The results are shown in FIG.

周期構造リング41Bにおいては、周期構造形成により、回転摺動においても全ての速度で摩擦係数低減が認められた。このとき、高速摺動時ほど鏡面リング41Aと周期構造リング41Bの摩擦係数比が大きく、周期構造部32による摩擦低減効果が大きくなった。また、動圧発生は、周期構造形成部と未形成部境界のステップ効果に起因するものである。   In the periodic structure ring 41B, due to the formation of the periodic structure, a reduction in the coefficient of friction was recognized at all speeds even during rotational sliding. At this time, the friction coefficient ratio between the mirror ring 41A and the periodic structure ring 41B increases as the sliding speed increases, and the friction reduction effect by the periodic structure portion 32 increases. Moreover, the generation of dynamic pressure is caused by the step effect between the periodic structure forming part and the non-forming part.

ステップ効果は周期構造部32の方向が摺動方向と同じ円周方向で最大となり、摺動方向と直交する半径方向で最小となる。ただし,油膜厚さを0.2μmとした場合、半径方向の周期構造でも円周方向の周期構造の20%〜70%の動圧が得られることが無限溝数理論から算出されており、周期構造の方向は往復摺動特性とのバランスを考慮して設定する必要があるが、半径方向の周期構造とすることも可能である。   The step effect is maximized in the circumferential direction where the direction of the periodic structure portion 32 is the same as the sliding direction, and is minimized in the radial direction orthogonal to the sliding direction. However, when the oil film thickness is 0.2 μm, it is calculated from the infinite groove number theory that a dynamic pressure of 20% to 70% of the periodic structure in the circumferential direction can be obtained even with the periodic structure in the radial direction. The direction of the structure needs to be set in consideration of the balance with the reciprocating sliding characteristics, but a periodic structure in the radial direction can also be used.

周期構造部32を構成する微細溝は、環状領域31の接線と30度以上の交差角度θを有するものとすれば、大きな動圧効果を得ることができ、また、周期構造部32を構成する環状領域31を間欠的とすることで、ステップ効果が生じ、軸廻りの旋回において大きな動圧効果を得ることができることが分かる。   If the fine grooves constituting the periodic structure portion 32 have an intersecting angle θ of 30 degrees or more with the tangent of the annular region 31, a large dynamic pressure effect can be obtained, and the periodic structure portion 32 is constituted. It can be seen that by making the annular region 31 intermittent, a step effect is produced, and a large dynamic pressure effect can be obtained in turning around the axis.

5 凹部
22 臼蓋ソケット
25 凹球部
26 人工骨頭
30 人工骨頭摺動面
31 環状領域
32 周期構造部
36 ヘルツ接触部
5 concave portion 22 acetabular socket 25 concave ball portion 26 artificial bone head 30 artificial bone head sliding surface 31 annular region 32 periodic structure portion 36 hertz contact portion

本発明の人工股関節は、凹球部を有する臼蓋ソケットと、この臼蓋ソケットの凹球部に嵌合して相対的摺動接触する人工骨頭とを備えた人工股関節であって、前記臼蓋ソケットの凹球部の人工骨頭との摺動面に、複数の微細溝にて構成される周期構造部が周方向に沿って間欠的に形成される環状領域を設け、前記環状領域が、揺動方向の摺動と軸廻りの旋回に対して動圧を生じるものである。 The artificial hip joint of the present invention is an artificial hip joint comprising a acetabular socket having a concave sphere portion and an artificial bone head that fits into the concave sphere portion of the acetabular socket and makes a relative sliding contact. the sliding surface of the endoprosthesis of the concave spherical portion of the lid socket, provided intermittently formed Ru annular region periodic structure portion constituted by a plurality of fine grooves along a circumferential direction, the annular region, Dynamic pressure is generated with respect to sliding in the swinging direction and turning around the shaft .

期構造部が環状領域に間欠的に形成される。間欠的に形成されるものでは、周方向に沿って周期構造形成部と未形成部とが摺動方向に沿って交互に形成される。これによって、軸廻りの旋回において周期構造形成部と未形成部との境界で圧力が発生し、摺動方向に圧力勾配ができる(この作用をステップ効果と呼ぶ)。 Periodic structure section Ru are intermittently formed in the annular region. In the case of being formed intermittently, the periodic structure forming portions and the non-forming portions are alternately formed along the sliding direction along the circumferential direction. As a result, pressure is generated at the boundary between the periodic structure forming portion and the non-forming portion in turning around the axis, and a pressure gradient is created in the sliding direction (this action is called a step effect).

Claims (9)

凹球部を有する臼蓋ソケットと、この臼蓋ソケットの凹球部に嵌合して相対的摺動接触する人工骨頭とを備えた人工股関節であって、
前記臼蓋ソケットの凹球部の人工骨頭との摺動面に、複数の微細溝にて構成される周期構造部を有する環状領域を設けたことを特徴とする人工股関節。
An artificial hip joint comprising a acetabular socket having a concave sphere portion, and an artificial bone head that fits into the concave sphere portion of the acetabular socket and makes a relative sliding contact;
An artificial hip joint characterized in that an annular region having a periodic structure part composed of a plurality of fine grooves is provided on a sliding surface of the concave sphere part of the acetabular socket with the artificial bone head.
臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、前記環状領域の中心が、人工骨頭からの最大荷重を受ける最大荷重点が存在しうる範囲内にあることを特徴とする請求項1に記載の人工股関節。   In a state of use in which the artificial bone head is fitted to the concave ball portion of the acetabular socket and is in relative sliding contact, the center of the annular region is within a range where the maximum load point for receiving the maximum load from the artificial bone head can exist. The artificial hip joint according to claim 1, wherein the artificial hip joint is provided. 周期構造部を構成する微細溝は、前記環状領域の接線と30度以上の交差角度を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の人工股関節。   The artificial hip joint according to claim 1 or 2, wherein the fine groove constituting the periodic structure portion has an intersecting angle of 30 degrees or more with a tangent of the annular region. 前記環状領域の内周縁の平均半径が、臼蓋ソケットの凹球部に人工骨頭が嵌合して相対的摺動接触する使用状態において、人工骨頭と臼蓋ソケットとのヘルツ接触部の接触半径の0.5倍〜10倍であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の人工股関節。   The average radius of the inner peripheral edge of the annular region is the contact radius of the Hertzian contact portion between the artificial bone head and the acetabular socket when the artificial bone head is fitted into the concave ball portion of the acetabular socket and is in relative sliding contact. The artificial hip joint according to any one of claims 1 to 3, wherein the artificial hip joint is 0.5 times to 10 times as long as the hip joint. 周期構造部が前記環状領域全周に形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の人工股関節。   The artificial hip joint according to any one of claims 1 to 4, wherein a periodic structure portion is formed all around the annular region. 周期構造部が前記環状領域に周方向に沿って間欠的に形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の人工股関節。   The artificial hip joint according to any one of claims 1 to 4, wherein the periodic structure portion is intermittently formed along the circumferential direction in the annular region. 周期構造部の周期ピッチが10μm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の人工股関節。   The artificial hip joint according to any one of claims 1 to 6, wherein a periodic pitch of the periodic structure portion is 10 µm or less. 前記周期構造部の凹部の深さが1.0μm以下であることを特徴とする特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の人工股関節。   The artificial hip joint according to any one of claims 1 to 7, wherein a depth of the concave portion of the periodic structure portion is 1.0 µm or less. 前記周期構造部は、加工閾値近傍の照射強度で直線偏光のレーザを照射し、その照射部分をオーバラップさせながら走査して、自己組織的に形成されていることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の人工股関節。   The periodic structure part is formed in a self-organized manner by irradiating a linearly polarized laser beam with an irradiation intensity in the vicinity of a processing threshold and scanning the overlapping part in an overlapping manner. The artificial hip joint according to claim 8.
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